С. Н. Костиков Анализ причин отказов герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Для связывания электролита существует два способа:

- использование гелеобразного электролита (технология GEL);

- использование стекловолокна, пропитанного жидким электролитом (технология AGM).

Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.

Под надежностью аккумулятора понимают его способность сохранять оговоренные изготовителем характеристики при эксплуатации в течение заданного времени в заданных условиях. За критерий отказа аккумулятора принимается несоответствие его параметров установленным нормам. Требования к герметизированным свинцово-кислотным аккумуляторам и методы их испытаний изложены в стандартах ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 (IEC 896-2, DIN EN 60896 Teil 2). Существует ряд факторов, которые ограничивают достижение высокой степени надежности герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов любой технологии:

- сильное влияние незначительных примесей на свойства активных масс пластин;

- большое количество технологических процессов при производстве аккумуляторов;

- использование широкого ассортимента материалов и комплектующих для изготовления аккумуляторов, которые могут производиться на разных заводах (в разных странах, где не всегда обеспечивается должный входной контроль и унификация изделий).

Повышение надежности связано, в первую очередь, с тщательным входным контролем всего поступающего сырья, используемых материалов и комплектующих. Необходим строгий контроль технологии изготовления на всех этапах производства. Чтобы достичь точности технологических операций, производство должно иметь высокую степень автоматизации и единый технологический цикл (полный цикл производства).

Обычная (классическая с жидким электролитом) конструкция аккумуляторов обеспечивает их высокую надежность за счет избыточности активной массы электродов, электролита и токоведущих элементов. В них избыток реагентов и электролита составляет 75–85% от теоретически необходимых. Герметизированные аккумуляторы имеют меньшую надежность, чем классические свинцово-кислотные аккумуляторы. Аккумуляторы технологии AGM имеют малый запас электролита. В аккумуляторах технологии GEL используется сложный многокомпонентный состав электролита, а также трудно добиться равномерного распределения геля внутри аккумулятора. Появляются новые конструктивные элементы (герметизированный корпус с крышкой, специальный газовый клапан с фильтром, специальное уплотнение токовыводов, специальные добавки в электролит, специальные сепараторы и др.). Поляризация положительного электрода в герметизированных аккумуляторах больше, чем в классических, и может достигать 50 мВ. Это приводит к ускорению коррозионных процессов, особенно в буферном режиме эксплуатации.
КОНСТРУКЦИЯ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

В герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах применяются пастированные электроды. Они могут быть решетчатыми и панцирными. Панцирные электроды применяются в GEL аккумуляторах типа OPzV в качестве положительных пластин, а в остальных типах для положительных электродов применяются решетчатые пластины. Применение различных типов положительных пластин отражается на электрических характеристиках аккумуляторов. Это связано с внутренним сопротивлением аккумулятора. Положительные панцирные пластины состоят из штырей, которые помещаются внутри перфорированных трубок, заполненных активированной массой (см. рис. 1). Использование панцирных пластин позволяет изготавливать герметизированные аккумуляторы (технологии GEL) большой емкости, такой же как у классических аккумуляторов. В герметизированных аккумуляторах технологии AGM (см. рис. 2) как малой, так и большой емкости используются решетчатые пластины, что удешевляет их стоимость и упрощает конструкцию.

В производстве аккумуляторов используется как чистый свинец, так и его сплавы. Сурьма, которая неоднозначно воздействует на эксплуатационные характеристики аккумуляторов, для производства пластин герметизированных аккумуляторов не применяется.

В герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах используются сплавы свинца с кальцием или с оловом и сплав свинца, кальция, олова, могут быть добавки алюминия. Здесь электролиз воды начинается при более высоких напряжениях. Кристаллы, образующиеся в пластинах, мелкие и однородные, а их рост ограничен. Осыпание активной массы и внутреннее сопротивление аккумулятора при использовании кальциевых решеток несколько больше, чем в случае свинцово-сурьмяных. Разрушение пластин преимущественно происходит при заряде аккумулятора. Для уменьшения осыпания в активную массу вводят волокнистые материалы, например фторопласт, и используют стекловолокно, прижатое к пластинам (технология AGM) или пористые сепараторы (сумки, конверты, удерживающие активную массу) из мипласта, PVC, стекловолокна (технология GEL); могут использоваться двойные сепараторы. Двойные сепараторы увеличивают внутреннее сопротивление, но повышают надежность аккумуляторов. Не все производители герметизированных аккумуляторов применяют двойные сепараторы. В некоторых моделях аккумуляторов встречаются многослойные сепараторы, дефекты в одном из слоев защищены другим, и рост дендритов затруднен при переходе от слоя к слою.

Надежность герметизированных аккумуляторов также зависит и от материала корпуса, качества и конструкции токовыводов, конструкции газового клапана. Некоторые производители для минимизации затрат делают корпус с толщиной стенки 2,5–3 мм, что не всегда обеспечивает высокую надежность. Для более высокой надежности толщина стенки должна быть 6 мм и более. Некоторые увеличивают пористость электродов, что не всегда положительно сказывается на надежности аккумуляторов. В погоне за увеличением прибыли многие фирмы заведомо завышают параметры аккумуляторов и искажают реальный срок службы, делают гибриды, в аккумуляторы AGM-технологии заливают гелевый электролит и др.



Рис. 1. Конструкция электродов свинцово-кислотного аккумулятора технологии GEL с панцирными пластинами (типа OPzV)



Рис. 2. Конструкция герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора AGM-технологии
ВИДЫ ОТКАЗОВ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Известно, что ухудшение электрических характеристик герметизированных аккумуляторов и выход из строя (отказ) при эксплуатации обусловлены коррозией основы (решетки) и оползанием активной массы положительного электрода, которые иногда называют деградацией положительного электрода. Деградация положительного электрода в классических аккумуляторах с жидким электролитом имеет плавную зависимость от срока службы, и ее можно проследить за период эксплуатации. В герметизированных аккумуляторах деградация положительных пластин более резкая и до конца не изученная, корпуса аккумуляторов непрозрачные, что затрудняет визуальный контроль уровня электролита и состояния пластин. Плотность электролита измерить нельзя.

При эксплуатации аккумуляторов в буферном режиме из-за малых токов подзаряда может наблюдаться дефект – пассивация отрицательного электрода. В герметизированных аккумуляторах любой технологии отрицательные электроды изготавливаются из решетчатых пластин. Механизмы процессов, протекающих на электродах, сложны и окончательно не установлены. Считают, что при работе аккумулятора на отрицательном электроде преимущественно идут жидкофазные процессы (растворение-осаждение), и ограничение его разряда связано с образованием пассивирующего слоя. Признаком пассивации отрицательного электрода обычно бывает снижение напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) на заряженном аккумуляторе ниже 2,10 В/эл. Проведение дополнительных уравнительных зарядов (например, в аккумуляторах типа OPzV) может восстановить напряжение, но аккумуляторы после этого должны быть постоянно на контроле, так как это может опять повториться. Для снижения пассивации отрицательного электрода некоторые производители вводят в него специальные добавки, которые работают как расширители активной массы отрицательного электрода и препятствуют ее усадке.

Если герметизированные аккумуляторы работают в режиме циклирования (при частых отключениях электроэнергии или в циклическом режиме), то чаще возникают дефекты, связанные с деградацией активной массы положительного электрода (ее разрыхление и сульфатация), которые приводят к снижению емкости при контрольном разряде. Проведение тренировочных зарядов для разрушения сульфата, как советуют в своих инструкциях по эксплуатации некоторые производители, ничего не дает, а даже приводит к еще более быстрому снижению емкости. Разрыхление приводит к потере контакта между частицами двуокиси свинца, они становятся электрически изолированными. Большие разрядные токи ускоряют процесс разрыхления. Наличие и степень сульфатации активной массы можно проконтролировать, поскольку она сопровождается изменением плотности электролита, которое в AGM аккумуляторах может быть грубо оценено по измерению НРЦ аккумулятора после окончания заряда. НРЦ заряженного герметизированного аккумулятора равно 2,10–2,15 В/эл в зависимости от плотности электролита, в аккумуляторах технологии AGM плотность электролита равна 1,29–1,34 кг/л, в гелевых аккумуляторах плотность ниже и имеет значения 1,24–1,26 кг/л (из-за высокой плотности электролита аккумуляторы технологии AGM могут работать при более низких температурах, чем гелевые). При разряде, по мере разбавления электролита, НРЦ герметизированного аккумулятора уменьшается и после разряда становится равным 2,01–2,02 В/эл. Если НРЦ разряженного герметизированного аккумулятора меньше 2,01 В/эл, то аккумулятор имеет высокую степень сульфатации активной массы, которая может быть уже необратимой.

При недозаряде герметизированных аккумуляторов при эксплуатации (например, из-за неверно установленного напряжения постоянного подзаряда, неисправности ЭПУ, отсутствии термокомпенсации) на отрицательном электроде, происходит сульфатация, постепенный переход мелкокристаллического сульфата свинца в плотный твердый слой сульфата с крупными кристаллами. Образующийся при этом плохо растворимый в воде сульфат свинца ограничивает емкость аккумулятора и способствует выделению водорода при заряде.

Если на положительном электроде аккумулятора наблюдается толстый окисел коричневого цвета, то это признак коррозии решетки. Возможные причины коррозии:

- аккумуляторы перед эксплуатацией долго лежали на складе без подзаряда;

- при эксплуатации подавался переменный ток (~I), проблемы с зарядным устройством (выпрямителем, ЭПУ).

В герметизированных аккумуляторах могут проявляться и специфические коррозионные процессы на мостах (чаще на отрицательных) и на борне. Поскольку продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, может выдавливаться компаунд, герметизирующий вывод, повреждено резиновое уплотнение борна, крышка и даже корпус аккумулятора. Дефекты такого рода часто наблюдаются в аккумуляторах, если не было строгого соблюдения технологического процесса при их изготовлении (например, большой разрыв по времени между технологическими операциями).

Многие производители герметизированных аккумуляторов в своих инструкциях по эксплуатации указывают на возможную эксплуатацию аккумуляторов в любом положении.

В процессе эксплуатации герметизированных аккумуляторов из-за неизбежных потерь воды при открывании газового клапана происходит некоторое высыхание электролита, при этом увеличивается внутреннее сопротивление и снижается напряжение, как при пассивации отрицательного электрода.

В герметизированных аккумуляторах технологии AGM кроме высыхания электролита может происходить расслоение электролита: серная кислота, которая находится в жидком виде, стекает вниз из-за более высокого удельного веса по сравнению с водой, в результате чего возникает концентрационный градиент в верхней и нижней части аккумулятора, что ухудшает разрядные характеристики и увеличивает температуру аккумулятора. Этот эффект в аккумуляторах малой и средней емкости наблюдается редко, а использование мелкопористого стекловолоконного сепаратора с высокой степенью сжатия всего пакета положительных и отрицательных пластин уменьшает его. Высокие герметизированные AGM-аккумуляторы большой емкости лучше эксплуатировать «лежа» на боку, но использовать лишь ту сторону, при которой пластины будут находиться перпендикулярно земле (необходимо узнать у производителя). Китайские и японские производители изготавливают герметизированные аккумуляторы большой емкости низкой высоты призматической формы, что позволяет их эксплуатировать вертикально, так же как аккумуляторы типа OPzV.

В герметизированных аккумуляторах технологии GEL, особенно в OPzV, при эксплуатации «лежа» на боку могут возникать дефекты, связанные с протечкой гелевого электролита. В процессе работы газового клапана из-за силикагеля и других компонентов гелевого электролита забиваются гидрофобные пористые фильтры (круглые пластины), которые должны пропускать газ, но не пропускать электролит. После того как клапан перестает пропускать газ, внутреннее давление может возрасти до 50 кПа и более. Газ находит слабое конструктивное место: это может быть герметизирующее уплотнение клапана или борна, место в корпусе, особенно возле ребер жесткости (у некоторых производителей), место крепления крышки к корпусу аккумулятора, что приводит к аварийному разрыву, сопровождающемуся выбросом электролита наружу; электролит проводит электрический ток – может возникнуть короткое замыкание. Были случаи, когда протечка электролита, вовремя не обнаруженная персоналом, приводила к возгоранию изоляционных колпачков. Электролит может «проесть» пол и т.д. (см. Фото 1).

Фото 1. Последствия от протечки электролита из лопнувшего корпуса OPzV

Гелевые аккумуляторы лучше всего располагать вертикально, чтобы аэрозоли веществ, составляющих гелевый электролит, не могли попасть в фильтр газового клапана. Некоторые производители гелевых 2В аккумуляторов удлиняют корпус аккумулятора, разрабатывают различные улавливатели аэрозолей, делают сложную лабиринтную конструкцию клапана, чтобы эксплуатировать гелевые аккумуляторы «лежа» на боку.

Для увеличения емкости и надежности системы электропитания можно осуществлять параллельное подключение батарей. Европейские производители не рекомендуют устанавливать в параллель более четырех групп. Азиатские производители рекомендуют использовать параллельное подключение не более двух групп. Это связано с однородностью элементов аккумуляторной батареи, которая связана с технологией изготовления и качеством производства. Однородность элементов у европейских производителей лучше. Рекомендуется, чтобы батареи в аккумуляторных группах были одного типа и одного года выпуска. Не допускается производить замену одного элемента в группе элементом другого типа или устанавливать параллельно группы из аккумуляторов различных типов.

По классификации Европейской ассоциации производителей аккумуляторов (Евробат) аккумуляторы подразделяются на четыре основные группы (могут быть подгруппы):

- 10 лет и более (специальное назначение) – телекоммуникации и связь, атомные и обычные электростанции, нефтехимическая и газовая промышленность и др.;

- 10 лет (улучшенные характеристики) – в основном эта группа батарей соответствует предыдущей группе (специальное назначение), но требования по техническим характеристикам и надежности не столь высоки;

- 5–8 лет (универсальное применение) – технические характеристики этой группы такие же, как и для группы «улучшенные характеристики», но требования к надежности и испытаниям ниже;

- 3–5 лет (широкое применение) – эта группа батарей находит применение в установках, приближенных к бытовому потребителю, популярна в UPS, чрезвычайно популярна в нестационарных условиях.

Окончанием срока службы считается наступление момента времени, когда отдаваемая емкость составляет 80% от номинальной.

Срок службы герметизированных аккумуляторов зависит от многих факторов, но наибольшее влияние оказывают режим заряда и температура эксплуатации аккумуляторов. Для постоянной готовности к работе в электропитающих установках (ЭПУ) аккумуляторы должны находиться под напряжением постоянного подзаряда (буферный режим). Напряжение постоянного подзаряда – напряжение, непрерывно поддерживаемое на выводах аккумулятора, при котором протекание тока компенсирует процесс саморазряда аккумулятора. Необходимо учитывать, что ток постоянного подзаряда аккумулятора зависит от напряжения постоянного подзаряда и температуры аккумулятора. Оба параметра изменяют силу тока постоянного подзаряда аккумулятора и тем самым влияют на расход воды, в герметизированных аккумуляторах добавить воду нельзя. Для обеспечения максимального срока службы герметизированных аккумуляторов важно поддержание оптимального напряжения постоянного подзаряда и оптимальной температуры в помещении.

При увеличении температуры аккумулятора на каждые 10°С все химические процессы, включая и коррозию решеток, ускоряются. Следует помнить, что при заряде герметизированных аккумуляторов их температура может быть выше температуры окружающей среды на 10–15°С. Это связано с разогревом аккумуляторов из-за процесса рекомбинации кислорода и герметичной конструкцией. Разница температур особенно заметна при ускоренных режимах заряда и в случае расположения батареи внутри стойки ЭПУ. Эксплуатация аккумуляторов при температуре выше +20°С ведет к уменьшению срока службы. В приведенной ниже табл. показана зависимость срока службы от температуры. Необходимо вводить корректировку напряжения постоянного подзаряда от температуры. Компенсация влияния повышенной температуры за счет регулирования напряжения постоянного подзаряда может смягчить этот эффект и улучшить приведенные в табл. цифры, но не более чем на 20%.

Таблица

Необходимо размещать герметизированные батареи так, чтобы обеспечивалась вентиляция помещения и охлаждение аккумуляторов. С этой точки зрения, более предпочтительно размещение аккумуляторов так, чтобы клапаны размещались фронтально. В настоящее время производители предлагают аккумуляторы с фронтальными выводами, так называемые фронттерминальные (клеммы-выводы расположены спереди), но клапаны у этих аккумуляторов расположены сверху, как и у обычных аккумуляторов. Опыт эксплуатации фронттерминальных аккумуляторов в разных странах показывает их меньшую надежность в сравнении с обычными аккумуляторами. Фронттерминальные AGM-аккумуляторы наиболее склонны к явлению термического самопроизвольного разогрева - терморазгону. Применение данных аккумуляторов обязательно должно осуществляться после расчета и исследования тепловых полей в отсеках ЭПУ, стойках и шкафах.

У герметизированных аккумуляторов при заряде выделяется небольшое количество водорода. Нужен небольшой (естественный) обдув батареи. При длительной работе батареи с аккумуляторами большой емкости следует помнить о необходимости вентиляции помещений из-за возможности накопления водорода и соблюдения температурного режима. Раньше считалось, что для герметизированных батарей большой емкости не требуется вентиляция, как для батарей малой и средней емкости. Но с учетом опыта монтажа и сервиса импортных герметизированных батарей мы рекомендуем устанавливать оборудование для вентиляции и кондиционирования аккумуляторных помещений.

Герметизированные аккумуляторы выделяют больше тепла при заряде и сильней сами нагреваются, чем классические аккумуляторы (например, типа OPzS):

0,77 – псевдополяризация, В при 2,25 В/эл;

Аккумуляторы классические (OPzS): Qm = 0,04 Вт/100 А∙ч эл/ч. Происходит Джоулевый нагрев – испарение газа (с газом выходит тепло).

Герметизированные аккумуляторы: Qm = 0,10 Вт/100 А∙ч эл/ч. Происходит Джоулевый нагрев + рекомбинация газа.

Емкость, %



Рис. 3. Влияние глубины разряда. Данные для аккумуляторов AGM-технологии. Аккумуляторы технологии GEL – более стойкие к глубокому разряду
Для герметизированных аккумуляторов AGM-технологии (см. рис. 3) вредны частые разряды-заряды, лучшую цикличность имеют аккумуляторы с гелевым электролитом. Но GEL-аккумуляторы больше выделяют водорода при заряде, чем AGM-аккумуляторы. У гелевых аккумуляторов при низких температурах раньше, чем у AGM-аккумуляторов, замерзает электролит, и могут возникать разрывы корпуса, так как электролит занимает весь объем банки.

Герметизированные аккумуляторы обоих технологий очень чувствительны к перезаряду. На рис. 4 показано, как быстро снижается срок службы при работе в буферном режиме при увеличении напряжения постоянного подзаряда. Недозаряд аккумуляторов также вреден.

Для длительного срока службы герметизированных аккумуляторов важны: толщина положительной пластины (4–5 мм), состав сплава и конструкция решетки. Некоторые производители заявляют большой срок службы аккумуляторов, при этом используют стандартные (тонкие 2,5–3 мм) пластины; реальный срок службы таких аккумуляторов остается неизвестным и может быть определен только в процессе эксплуатации. При выборе аккумуляторов рекомендуем обратить внимание на вес, который связан с толщиной пластин.

В GEL-аккумуляторах типа OPzV с панцирными пластинами срок службы во многом зависит от скорости коррозии стержня электрода. Толщина пластин большая и равна 8–10 мм, что обуславливает большой срок их службы и низкую скорость коррозии стержня.

Статистику причин отказов герметизированных аккумуляторов в России проследить очень трудно. Фирмы-поставщики аккумуляторов тщательно это скрывают, чтобы не потерять авторитет и рынок сбыта. Много отказов происходит из-за нарушений условий эксплуатации, а также устаревшей техники. Среди них следует отметить негативное влияние выпрямителей типа ВУК на срок службы аккумуляторных батарей. Технический ресурс использования этих выпрямителей превысил все мыслимые пределы. Выпрямители типа ВУК не имеют ни стабильного, ни фильтрованного напряжения на выходе. Можно обратить внимание на выпрямители устаревшего типа ВУТ: неправильное чередование фаз питающей промышленной сети приводит к отказу выпрямителей. Этот отказ является восстанавливаемым и проявляется в недопустимом завышении выходного напряжения с последующим аварийным отключением выпрямителя. В случае совпадения неправильного чередования фаз с отказом завышенное напряжение питания вызывает повреждение батареи (сильный перезаряд), которую восстановить уже нельзя. В ВУТах отсутствует устройство автоматического переключения из режима стабилизации тока в режим стабилизации напряжения. Герметизированные аккумуляторы с устройствами старого типа (ВУТ, ВУК) работают недолго, и использование их с данными выпрямителями недопустимо.

При выборе аккумулятора для стационарных условий работы следует руководствоваться, в первую очередь, условиями эксплуатации. Если есть аккумуляторное помещение, оборудованное приточно-вытяжной вентиляцией для размещения обслуживаемых классических аккумуляторов, то его следует использовать по назначению и только для классических аккумуляторов с жидким электролитом (например, типа OPzS (в России – типа ССАП, ТБ-М), OGi (типа СН, ТБ), Groe (типа СК, БП). Герметизированные аккумуляторы лучше применять при наличии хорошего современного выпрямителя (например, УЭПС-3 производства ОАО «ЮПЗ «Промсвязь»). Герметизированные аккумуляторы только на первый взгляд доставляют меньше хлопот своим хозяевам. Их применение не означает, что обслуживание вообще исключается. В любом случае необходимо контролировать состояние аккумуляторов (напряжение, емкость, состояние корпуса и выводов, температуру аккумуляторов и помещения). Для успешной эксплуатации герметизированных аккумуляторов важно, чтобы в выпрямителях (ЭПУ), используемых для заряда аккумуляторов, были реализованы все требования, которые предъявляются к заряду герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Для того чтобы поднять надежность ЭПУ с герметизированными аккумуляторами, необходимо чаще получать оперативную информацию о состоянии и режимах работы системы электропитания. Это возможно за счет использования систем сигнализации и мониторинга электропитания. Для этих целей можно применять устройство контроля разряда-заряда (УКРЗ) аккумуляторных батарей. УКРЗ может автоматически выполнять тесты проверки аккумуляторов, автоматически контролировать параметры. По результатам тестов можно прогнозировать сроки замены и планировать техническое обслуживание. Современные ЭПУ типа УЭПС-3 могут комплектоваться устройствами поэлементного контроля батарей УПКБ, которые позволяют дистанционно контролировать напряжение и температуру каждого 2В элемента или моноблока и передавать через Ethernet, GSM, PSTN, RS-485 (тип модуля определяется при заказе). Можно использовать устройство контроля напряжения буферного режима аккумуляторной батареи (УКН) с дистанционной сигнализацией для оповещения дежурного персонала. Операторы мобильной связи рекомендуют строить систему мониторинга на базе радиосети и современных универсальных микроконтроллеров, снабженных радиомодемами, которые регулярно отправляют информацию в центр и на мобильные телефоны технического персонала. Кроме того, системы мониторинга послужат основой для интеграции с АСКУЭ и системой управления климатом, которые активно внедряются на объектах связи, энергетики, транспорта и промышленных предприятиях.

Несмотря на то, что свинцовый аккумулятор известен более ста лет, продолжаются работы по его совершенствованию. Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыскания новых сплавов для решеток, облегченных и прочных материалов корпусов и улучшения качества сепараторов.

Для герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов характерен большой разброс параметров, связанных с технологией изготовления, качеством исходного сырья и техническим уровнем оборудования, применяемого для изготовления аккумуляторов.